Flytande kristall är ett tillstånd av materia som uppvisar egenskaper hos både flytande och fasta ämnen. Det kan flyta som en vätska, medan dess beståndsdelar molekyler är inriktade som i ett fast ämne. Flytande kristaller används i stor utsträckning nuförtiden, till exempel som en central del av LCD-enheter.
Den magnetiska analogen av denna typ av material kallas för "spinnematisk fas", där spinnmoment spelar rollen som molekylerna. Den har dock ännu inte observerats direkt trots sin förutsägelse för ett halvt sekel sedan. Den största utmaningen härrör från det faktum att de flesta konventionella experimentella tekniker är okänsliga för spinn-kvadrupoler, vilket är de avgörande egenskaperna för denna spinnematiska fas.
Men nu, för första gången i världen, har ett team av forskare under ledning av professor Kim Bumjoon vid IBS Center for Artificial Low-Dimensional Electronic Systems i Sydkorea lyckats direkt observera snurrkvadrupoler. Detta arbete möjliggjordes genom anmärkningsvärda prestationer under de senaste decennierna inom utveckling av synkrotronanläggningar.
IBS-forskarna fokuserade sin studie på kvadratisk gitter iridiumoxid Sr2 IrO4 , ett material som tidigare erkänts för sin antiferromagnetiska dipolära ordning vid låga temperaturer. Denna studie upptäckte nyligen samexistensen av en spin-kvadrupolär ordning, som blir observerbar genom sin interferens med den magnetiska ordningen. Denna interferenssignal detekterades av 'cirkulär-dikroisk resonansröntgendiffraktion', en avancerad röntgenteknik som använder en cirkulärt polariserad röntgenstråle.
Ytterligare verifiering av denna upptäckt kom genom "polarisationsupplöst resonant oelastisk röntgenspridning", där de magnetiska excitationerna visade sig avsevärt avvika från de beteenden som förväntas för de i konventionella magneter.
För att slutföra dessa experiment har forskarna i Sydkorea samarbetat med Argonne National Laboratory i USA för att konstruera en resonant oelastisk röntgenspridningsstrållinje i Pohang Accelerator Laboratory under de senaste fyra åren.
Sist men inte minst använde forskarna en rad optiska tekniker, inklusive Raman-spektroskopi och magneto-optisk Kerr-effektmätning, för att visa att bildandet av spinn-kvadrupolmomenten sker vid högre temperaturer än den magnetiska ordningen. Inom detta temperaturområde har iridiumoxiden endast spinn-kvadrupolmoment men ingen magnetisk ordning, vilket skapar en spinnematisk fas.
Sammantaget är detta den första direkta observationen av spinnkvadrupolmomenten i en spinnematisk fas.
"Denna forskning var genomförbar eftersom infrastrukturen och kapaciteten för röntgenexperiment i Sydkorea hade nått en globalt konkurrenskraftig nivå", säger Prof. Kim Bumjoon, motsvarande författare till denna studie.
"Upptäckten av den spinnematiska fasen har också betydande konsekvenser för kvantberäkningar och informationsteknik", tillägger professor Cho Gil Young, medförfattare till denna studie och professor vid Pohang University of Science and Technology.
En annan spännande aspekt av den spinnematiska fasen är dess potential för supraledning vid hög temperatur. I den spinnematiska fasen är spinnen mycket intrasslade, vilket föreslogs av fysikern P.W. Anderson som en kritisk ingrediens för supraledning vid hög temperatur.
Dessutom med tanke på att iridiumoxid Sr2 IrO4 har studerats omfattande på grund av dess slående likheter med kopparoxid-superledande systemet för hög temperatur, vilket väcker ett växande intresse för detta material som ett potentiellt nytt högtemperatursupraledande system, såväl som dess relation till den spinnematiska fasen.
Resultaten publiceras i tidskriften Nature .
Mer information: B. J. Kim, Quantum spin nematic phase in a square-lattice iridate, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06829-4. www.nature.com/articles/s41586-023-06829-4
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av Institute for Basic Science
